Нераскрытые тайны чёрных дыр

Даже после этого впечатляющего прогресса остаются две важнейшие проблемы, связанные с чёрными дырами. Первая связана с тем, что понятие чёрной дыры изменяет наши представления о детерминизме. В начале XIX в. французский математик Пьер Симон Лаплас огласил строгие и далеко идущие последствия для нашей Вселенной, вытекающие из законов Ньютона: «Знание, которое в данный момент способно было бы узреть все силы, движущие природой, как и их обстоятельства у истоков сего движения, будь знание это к тому же столь велико, что все данные можно было бы подвергнуть анализу, охватило бы одной формулой и движения величайших тел во Вселенной, и движения легчайших атомов. Для знания такого ничто не было бы неясным, и будущее, равно как и прошлое, открылось бы его взору».^{93}

Другими словами, если в некоторый момент известны положения и скорости всех частиц во Вселенной, с помощью законов Ньютона можно определить (по крайней мере, в принципе) их положения и скорости для любого момента времени в прошлом или в будущем. С этой точки зрения все без исключения события, будь то образование Солнца, распятие Христа или все наши телодвижения в этом мире, строго вытекают из точных значений координат и скоростей частиц Вселенной в момент после Большого взрыва. В этой жёсткой, не допускающей отклонений модели эволюции Вселенной встаёт множество запутанных философских проблем, связанных с вопросом о свободе выбора, но их актуальность сильно снизилась после открытия квантовой механики. Как обсуждалось, соотношение неопределённостей Гейзенберга подрывает детерминизм Лапласа, так как в принципе нельзя узнать точные положения и скорости элементов Вселенной. На смену классическому пришло описание в терминах волновых функций, в котором можно рассуждать лишь о вероятностях того, что данная частица находится в том или ином месте, либо имеет ту или иную скорость.

Однако низвержение аргументов Лапласа не было полным крахом концепции детерминизма. Волновые функции, описывающие вероятности в квантовой механике, изменяются во времени по совершенно определённым математическим правилам, таким, как уравнение Шрёдингера (или его более точные релятивистские обобщения, например уравнение Дирака и уравнение Клейна – Гордона). Это говорит о том, что классический детерминизм Лапласа заменяется квантовым детерминизмом. Зная волновые функции всех фундаментальных объектов Вселенной в определённый момент времени, «достаточно обширный разум» может определить волновые функции в любой предшествующий или последующий момент. Квантовый детерминизм утверждает, что вероятность определённого события в выбранный момент времени в будущем полностью определяется знанием волновых функций в любой предшествующий момент. Вероятностная картина квантовой механики существенно смягчает детерминизм Лапласа, замещая неизбежность исходов их возможностью, однако последняя полностью определяется в общепринятом формализме квантовой теории.

В 1976 г. Хокинг объявил, что даже этот смягчённый вариант детерминизма нарушается из‑за существования чёрных дыр. Эти вычисления, как и вычисления энтропии, были невероятно сложными, но главная мысль легко уловима. Если какой‑нибудь объект попадает в чёрную дыру, туда же отправляется и его волновая функция. Но это означает, что наш «достаточно обширный разум», пытающийся определить волновые функции для будущих моментов, будет фатально сбит с толку чёрной дырой. Чтобы полностью предсказать то, что будет завтра, сегодня нам нужно знать все волновые функции. И если некоторые из них сгинули в омуте чёрной дыры, то содержащаяся в них информация потеряна.

На первый взгляд это осложнение, вызванное существованием чёрных дыр, может показаться несущественным. Всё, что скрылось за горизонтом событий чёрной дыры, отрезано от остального мира – так не проще ли вообще забыть об объектах, которых угораздило туда попасть? Кроме того, рассуждая философски, разве нельзя представить себе, что информация, которую переносили попавшие в дыру объекты, не потеряна для Вселенной, а просто скрыта в области пространства, которую мы, разумные существа, решили избегать любой ценой? До открытия Хокингом того, что чёрные дыры не совсем чёрные, ответ на эти вопросы был бы положительным. Но результат Хокинга об излучении чёрных дыр всё меняет. Излучение переносит энергию, и поэтому при излучении чёрной дыры её масса медленно уменьшается – дыра медленно испаряется. При этом расстояние от центра дыры до горизонта событий постепенно сокращается, и когда завеса отступает, прежде отрезанные от мира области снова оказываются на сцене космического бытия. Вот тут‑то мы со своими философскими доводами и наступаем на грабли: восстановится ли информация, которую переносили проглоченные дырой объекты и которая, как мы представляли, хранится внутри чёрной дыры, после того, как чёрная дыра испарится? Без этой информации квантовый детерминизм будет нарушен, так что последний вопрос приобретает глубокий смысл: не могут ли чёрные дыры вносить ещё больший элемент случайности в эволюцию Вселенной?

В момент, когда писалась эта глава, у физиков не было единодушного мнения по данному вопросу. Многие годы Хокинг настойчиво утверждал, что информация не восстанавливается: чёрные дыры разрушают её, «вводя новый уровень неопределённости в физику, усугубляющий общеизвестную неопределённость в квантовой теории».^{94} Хокинг и Кип Торн из Калифорнийского технологического института даже поспорили с Джоном Прескиллом из того же института о том, что произойдёт с информацией, захваченной чёрной дырой. Хокинг и Торн ставили на то, что информация будет потеряна, а Прескилл – на то, что информация восстановится при излучении и уменьшении чёрной дыры. Угадайте, на что они спорили? На саму информацию: «Проигравший(е) обязуется приобрести для победителя(ей) энциклопедию на выбор победителя(ей)».

И хотя спор всё ещё не разрешён, недавно Хокинг признал, что в свете обсуждавшегося нового понимания чёрных дыр в теории струн может существовать способ восстановления информации.^{95} Идея состоит в том, что для типов чёрных дыр, изученных Строминджером и Вафой (а также многими физиками, вовлечёнными в подобные исследования их статьёй), информацию можно хранить в компонентных бранах, а затем извлекать из них. По выражению Строминджера, этот результат «возбудил у некоторых теоретиков желание заявить о победе, о том, что при испарении чёрных дыр информация восстанавливается. По‑моему, этот вывод является преждевременным, и предстоит сделать ещё немало, чтобы определить, правильный он или нет».^{96} Так же считает и Вафа, заявляя, что он «в этом вопросе агностик: здесь всё ещё возможен любой исход».^{97} Ответ на поставленный вопрос является главной задачей текущих исследований. Приведём слова Хокинга: «Большинство физиков хотят верить, что информация не теряется, так как в этом случае мир будет надёжным и предсказуемым. Но я считаю, что если принимать эйнштейновскую теорию относительности всерьёз, придётся допустить, что пространство‑время может само связываться в узлы, приводя к потере информации в их складках. Определение того, может ли информация теряться на самом деле, является одним из важнейших вопросов современной теоретической физики».^{98}

Вторая нераскрытая тайна чёрных дыр связана с природой пространства‑времени в центре чёрной дыры.[47] Прямо применяя формулы общей теории относительности, которыми пользовался Шварцшильд ещё в 1916 г., можно показать, что огромные масса и энергия, сосредоточенные в чёрной дыре, приводят к возникновению разрушительных разрывов ткани пространства‑времени, в результате которых оно должно будет закручиваться в конфигурацию с бесконечной кривизной, образуя прокол пространства‑времени. Один из выводов, которые делали физики из существования таких сингулярностей, состоял в том, что вся материя, пересекающая горизонт событий чёрной дыры, будет безвозвратно затянута к центру чёрной дыры, и с этого момента материя перестанет существовать – внутри чёрной дыры исчезнет само время. Другие физики, долгое время исследовавшие чёрные дыры с помощью уравнений Эйнштейна, открыли не укладывающуюся в голове возможность того, что чёрная дыра может быть окном в другую вселенную, связанную с нашей лишь в центре чёрной дыры. Грубо говоря, там, где останавливаются стрелки часов нашей Вселенной, начинается отсчёт времени вселенной, которая прикреплена к нашей.

Некоторые из следствий этой поразительной перспективы будут рассмотрены в следующей главе, здесь же хочется отметить один важный момент. Нужно вспомнить главный вывод: в экстремальных ситуациях, возникающих при чрезвычайно высоких плотностях ввиду огромных масс и малых размеров, классическая теория Эйнштейна становится неприменимой, и для описания таких ситуаций необходимо её квантовое обобщение. Здесь напрашивается вопрос о том, может ли для анализа сингулярностей в центре чёрной дыры оказаться полезной теория струн? Этот вопрос в настоящее время интенсивно исследуется, но из‑за возникшей проблемы потери информации он всё ещё не решён. Теория струн ловко расправляется с множеством сингулярностей других типов, возникающих, например, при разрывах пространства, которые обсуждались в главе 11 и в начале этой главы.^{99} Но если обнаружен один тип сингулярности, это не значит, что все остальные будут иметь тот же характер. Структура пространства может рваться, прокалываться и раздираться многими разными способами. Теория струн дала нам глубокое понимание одних типов сингулярностей, но другие, среди которых и сингулярности чёрной дыры, до сих пор не поддаются теоретическому описанию. И снова, главная причина этого – невозможность выхода за рамки теории возмущений, которая, в данном случае, затрудняет проведение всестороннего и достоверного анализа того, что происходит внутри чёрной дыры.

Тем не менее, с учётом последних грандиозных достижений в разработке методов, не опирающихся на теорию возмущений, и успешных применений этих методов к другим задачам теории чёрных дыр, у теоретиков появились большие надежды на то, что разгадка тайн происходящих в глубине чёрной дыры явлений уже не за горами.